分层物体的合成孔径聚焦超声成像方法

摘要

分层物体的合成孔径聚焦超声成像方法属于多层异质物体的内部结构快速成像技术领域，其特征在于，基于使用一个超声换能器在多层异质物体水平方向作等间距移动探测的条件下，基于合成孔径聚焦技术(SAFT)和折射定律，将原SAFT的实现过程改为以采样数据在图像上画轨迹曲线的过程，并结合折射定律正向计算折射向量，利用直线扫描转换技术得到折射路径上的各像素点，从而提高成像速度。本发明既适用于仅在深度方向存在异种介质的规则分层物体的超声成像，也适用于在深度方向和水平方向上均存在异种介质的非规则分层物体的超声成像，且成像速度快，成像精度高。

主权项

分层物体的合成孔径聚焦超声成像方法，含有：计算机、超声换能器、定位控制器和模数转换器各一个，其特征在于，依次含有以下步骤： 步骤(1):构建一个由一台计算机、一个超声换能器、一套定位控制器和一个模数转换器组成的一个基于合成孔径聚焦技术和折射定律的用于对分层物体在深度和水平两个方向形成的纵断面上作无损伤超声成像的系统，其中： 所述超声换能器设有：与所述定位控制器的输出端相连的脉冲信号输入端，所述定位控制器的输入端与所述计算机相应的定位控制信号输出端相连，所述超声换能器还设有：与所述模数转换器的输入端相连的回波信号输出端，所述模数转换器的输出端与所述计算机的回波采样信号输入端相连，所述超声换能器由所述定位控制器控制，在被测物体表面以1步长/ms的固定速率移动，所述定位控制器是控制所述超声换能器移动位置的传动装置，其参数由所述计算机输入， 被测物体沿X轴方向的水平长度为X_length，均分为X_length/Δx个区间，Δx为区间长度，也是所述超声换能器沿X轴从坐标点(0,0)起向终点(X_length,0)止每次移动的步长，所述超声换能器每次移动所达到的点称为探测点，共有M个，M＝1+X_length/Δx，序号m＝0,1,…,M‑1，所述定位控制器在每一个探测点处产生一个TTL晶体管‑晶体管逻辑电平脉冲，触发所述超声换能器向被测物体的垂直于X轴的深度方向Z发射一个激励脉冲，随后超声换能器转为接收模式并开始计时，接收从被测物体反射的回波信号，所述模数转换器对所述超声换能器在探测点m处接收到的回波信号进行N次采样并存储到计算机中，采样序号n＝0,1,…,N‑1，采样频率为f_s，f_s的值为模数转换器预设，记s_m(n)为超声换能器在第m个探测点处的第n次采样得到的采样值，s_m(n)的采样时刻为t＝n/f_s； 步骤(2):所述计算机从n＝0开始依序读取探测点m＝0处的采样值，然后，重复该过程依次读取m＝1,…,M‑1各探测点处的采样值； 步骤(3):取v＝v₁，v₁为超声在被测物体的第一层介质中的传播速度，使用合成孔径聚焦超声成像软件包生成深度方向上z₀＝0至Z_depth‑1区间的纵断面图像，Z_depth为预设的生成图像的长度，即生成的图像在纵向上用像素数表示的深度值； 步骤(4):以步骤(3)得到的z₀至Z_depth‑1区间图像块作为输入量，使用Canny算子边缘提取软件包提取第一层介质与第二层介质的分界线c₁(x,z)； 步骤(5):按以下步骤修正所述纵断面上在分界线c₁(x,z)之下至Z_depth‑1区间的图像，以消除第一层与其他各层介质间的不同质而导致的误差： 步骤(5.1):取m＝0，记第m个探测点为U(x_u,0)，其中，x_u＝mΔx/accuracy，accuracy为图像精度，即所生成的图像上相邻两个像素点的间距，依次按以下步骤计算第m个探 测点U(x_u,0)处所对应的扇形图像： 步骤(5.1.1):计算超声换能器的半功率波束角β_0.5＝0.84λ/D，λ为超声在被测物体中传播时的波长，D为超声换能器的直径，并计算所述半功率波束角的左、右边界线分别与分界线c₁(x,z)的左右两个交点B_l(x_l,z_l)、B_r(x_r,z_r)，其中，x_l＝x_u‑z_l×tg(0.5β_0.5)且满足c₁(x_l,z_l)＝0，x_r＝x_u+z_r×tg(0.5β_0.5)且满足c₁(x_r,z_r)＝0； 步骤(5.1.2):在分界线c₁(x,z)上取折射点R(x_R,z_R)＝B_l(x_l,z_l)，计算归一化的折射向量其中，eta为所述被测物体中与分界线c₁(x,z)相邻的两层介质间的相对折射率，是分界线上点R(x_R,z_R)处的单位法向矢量，为向量点积运算，为从所述探测点U(x_u,0)到折射点R(x_R,z_R)的归一化的入射向量；步骤(5.1.3):计算折射矢量的斜率k，取直线上的初始点为R(x_R,z_R)，利用Bresenham直线扫描转换软件包，从折射点R开始，计算折射路径上的所有像素点直到到达图像的左边界x＝0或者右边界x＝(M‑1)Δx/accuracy或者下边界z＝Z_depth‑1为止，记当前折射点R为R_f，即R_f(x_f,z_f)＝R(x_R,z_R)，并记折射路径为R_fE_f，E_f为R_fE_f在图像内的终点，即折射路径R_fE_f与图像边界的交点；步骤(5.1.4):取x_g＝x_f+1，查找分界线c₁(x,z)上当前折射点R_f所在位置的下一个像素点R_g(x_g,z_g)，点R_g的坐标满足c₁(x_g,z_g)＝0，取R_g为新的折射点，即R(x_R,z_R)＝R_g(x_g,z_g)，执行步骤(5.1.2)和步骤(5.1.3)，扫描转换新的折射路径R_gE_g，记终点为E_g； 步骤(5.1.5):计算当前折射点R_g的折射路径R_gE_g的终点E_g与上一个折射点R_f的折射路径R_fE_f的终点E_f之间的距离Δd＝|E_fE_g|，将分界线c₁(x,z)上当前折射点R_g与上一个折射点R_f之间的曲线段均分为Δd份，即插入Δd‑1个点，插入点序号记为τ＝1,2,…,Δd‑1，对τ值以1为步长以τ＝1为初始值循环执行下述步骤(5.1.5.1)直到τ＝Δd止： 步骤(5.1.5.1):插值计算第τ个插入点R_τ的坐标，x_τ＝x_f+τ/Δd,z_τ＝z_f+(z_g‑z_f)τ/Δd，取折射点R(x_R,z_R)＝R_τ(x_τ,z_τ)，执行步骤(5.1.2)和步骤(5.1.3)，扫描转换从点R_τ出发的折射路径； 步骤(5.1.6):取R_f＝R_g，E_f＝E_g，执行步骤(5.1.4)和步骤(5.1.5)； 步骤(5.1.7):重复执行步骤(5.1.6)直到x_g＝x_r+1止，即处理完分界线c₁(x,z)上介于B_l(x_l,z_l)和B_r(x_r,z_r)之间所有的折射点和折射路径，得到第m个探测点U(x_u,0)处所对应的扇形图像； 步骤(5.2):依次取m＝1,…,M‑1，重复执行步骤(5.1)，生成所述纵断面上在分界线c₁(x,z) 之下至Z_depth‑1区间的图像； 步骤(6):以步骤(5)得到的分界线c₁(x,z)之下至Z_depth‑1区间的图像块作为输入量，使用Canny算子边缘提取软件包提取所述分界线c₁(x,z)至Z_depth‑1之间的第二层介质与第三层介质的分界线c₂(x,z)，按照步骤(5)所述的方法修正所述纵断面上在分界线c₂(x,z)之下至Z_depth‑1区间的图像，以消除第二层与其下各层介质间的不同质而导致的误差； 步骤(7):按步骤(6)所述的方法，处理剩余各条分界线，直到所述纵断面中所有分界线处理完止，生成宽度为(M‑1)Δx/accuracy+1个像素、长度为Z_depth个像素的所述纵断面的图像。